INTRODUCCIÓN El presente informe, respectivo a la Historia de la Mecánica de Rocas, se refiere a los avances que ha tenido está rama de la ciencia ingenieril, en el proceso de convertirse en uno de los principales estudios realizados por nosotros los estudiantes de ingeniería de minas; dando a conocer el contenido de la cronología en la historia, apoyado especialmente con material bibliográfico, así como también de páginas electrónicas o webs. La mecánica de rocas es un estudio derivado de varias ramas como son: la geología, física, etc. Además estudia las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de las rocas, los estudios e investigaciones que se realizan; son con el fin de determinar sus propiedades y diseñar los mecanismos de apoyo o cimentaciones para estructuras tales como: edificios, puentes, centrales hidroeléctricas, muros de contención, estabilidad de taludes, túneles, carreteras, etc. Antiguamente, la mecánica de rocas, estaba estrechamente relacionada e incluida con la mecánica de suelos, pero ya que es de suma importancia para la ingeniería, fue considerado como un estudio aparte, ya que el comportamiento de un macizo rocoso es muy distinto del comportamiento de un suelo. En un macizo rocoso los esfuerzos actuantes se rigen por fenómenos muy complejos y de muy difícil modelización. Este informe es de gran importancia para nosotros los estudiantes de mecánica de rocas, ya que es parte fundamental del curso, saber como ha ido evolucionando el estudio de las rocas, desde el punto de vista, geológico, mecánico, físico, etc. Para luego definir la mecánica de rocas desde el estudio de la geomecánica. Es además indispensable, saber quienes han aportado considerablemente en estudios empíricos y ya conceptualizados de la mecánica de rocas.
HISTORIA DE LA MECÁNICA DE ROCAS La comprensión de la mecánica de rocas, como hoy es conocida se inició a comienzos del siglo XVIII, cuando la física y las matemáticas habían alcanzado un importante desarrollo y permitían conceptualizar modelos físicos. Pero para nuestros antecesores nunca fue un obstáculo desconocer los principios físicos básicos que rigen el comportamiento del suelo y de los materiales geológicos. Un importante ejemplo de ello es la construcción de túneles, que había alcanzado un desarrollo muy notable antes de que se acuñaran incluso los términos de mecánica de rocas o de que se celebraran formalmente los primeros congresos internacionales sobre estas teorías emergentes. La construcción de monumentales obras requiere algo de ingenio, audacia e ingenuidad.
MAUSOLEO DE HALICARNASO, CONSTRUIDO POR PYTHEOS (GRECIA)
En el siglo XVIII ocurrió en Europa una gran erupción del desarrollo científico. En Francia e Inglaterra, el estudio del suelo era fundamentalmente agrícola y químico, mientras en Alemania y sobre las bases proporcionadas por la Geología, aparece una escuela para estudiar, definir e inventariar los suelos.
JOHN SMEATON (1724-1792)
Una teoría sobre la génesis del suelo de la época indicaba que: “ Los suelos se originan por alteración “in situ” de las rocas o por depósito de materiales alterados después del transporte ”
los integrantes de esta escuela consideran que el suelo es el horizonte superior de las rocas, dando a la palabra horizonte el significado de capa.
KARL TERZAGHI (1883-1963) PADRE DE LA MECÁNICA DE SUELOS
La ingeniería geotécnica moderna fue desarrollada en la segunda mitad del siglo XX, construida a partir de la obra de Karl Terzaghi, quien expuso la filosofía de la Mecánica de Suelos en 1925. La mecánica geotécnica clásica comenzó en 1773 con la introducción de la mecánica a los problemas del suelo por Charles de Coulomb. Utilizando las leyes de la fricción y la cohesión para determinar la verdadera superficie de deslizamiento detrás de un muro de contención (introdujo los conceptos de resistencia friccionante y cohesiva de los cuerpos sólidos que asumió aplicables a cuerpos granulares incluidos aquí los suelos), Coulomb inadvertidamente definió un criterio de falla para el suelo. Combinando la teoría de Coulomb con la de Christian Otto Mohr (teoría de ruptura y círculo de esfuerzos, 1871) de un estado de esfuerzos en 2D, se desarrolló la teoría de Mohr-Coulomb, una construcción gráfica muy útil todavía utilizada hoy en día para determinar la resistencia al corte de los suelos y rocas.
CHARLES AUGUSTINE COULOMB (1736-1806)
El estudio del manejo de las rocas por parte del hombre (conocido como mecánica de rocas por que dio lugar al desarrollo de instrumentos y técnicas para su práctica), es más antiguo que la civilización misma. Hace más de 10,000 años, mucho antes de la invención de la escritura o el uso de herramientas de metal, el uso de la agricultura y la construcción de grandes sistemas de irrigación puso a nuestros antepasados prehistóricos en contacto (y a veces en conflicto) con las complejidades del comportamiento de la ingeniería de rocas y suelos por primera vez. El conocimiento y comprensión del comportamiento y las propiedades del suelo y las rocas, se convirtió, y sigue siendo, una cuestión de necesidad práctica para su permanencia en la faz del planeta. Hacia el año 4,000 A.C., las antiguas civilizaciones florecieron a lo largo de las orillas de imponentes ríos, como el Nilo (Egipto), el Tigris y el Éufrates (Mesopotamia), el Huang Ho (Río Amarillo en China), y el Indo (India). En estos pueblos se contó con escritura y gobierno, y con el tiempo se desarrollaría la ciencia. Se tiene conocimiento de diques que datan de alrededor del 2,000 A.C., que fueron construidos en la cuenca del río Indo para proteger la ciudad de Mohenjo-Daro y Harappa (en lo que se convirtió en Pakistán después de 1947). Menfis, capital del Nomo I del Bajo Egipto y de las Dos Tierras, fue fundada según Heródoto en el 2,900 A.C. a 19 km de la actual El Cairo, por Menes, quien realizó las obras de regulación del curso del Nilo, protegiendo la localidad con un dique, y su sucesor Athothis fue quien levantó los palacios de la ciudad. El nombre proviene de la helenización de la voz egipcia Men-Nefer. La ciudad se llamaba, desde los tiempos de Menes, Anbu-hey (muro blanco), como término indicativo del papel de fortaleza rodeada de murallas situada estratégicamente. En esta ciudad, el arquitecto real Kanofer (padre del ingeniero y arquitecto Imhotep), construyó el muro perimetral.
MENFIS
Entre los años 2,000 a 3,000 A.C., la construcción de monumentos en Egipto, Mesopotamia, India y China representaron nuevos desafíos de ingeniería y arquitectura relacionados con los suelos y rocas, sobre todo en lo relativo a sus cimentaciones. Torres, pirámides y zigurats, muros urbanos de grandes dimensiones, templos con columnas, obeliscos, pagodas y otras estructuras surgieron como tributo a la creciente capacidad del hombre para dominar la tierra. Estas culturas también conocían acerca de la construcción de presas y diques en las planicies de inundación. En los siglos venideros, hacia el comienzo de la era cristiana, el dominio Griego y Romano de puentes, carreteras pavimentadas, acueductos, sistemas de alcantarillado y drenaje, muros de contención, presas de tierra y otras estructuras, habían familiarizado a los ingenieros antiguos, al menos en un sentido general, con casi todos los aspectos de la ingeniería geotécnica y geomecánica. Hasta los comienzos rudimentarios de la ingeniería sísmica datan de la antigua Grecia y la China Sung.
SISMÓGRAFO CHINO INVENTADO POR ZHANG HENG (DINASTÍA HAN. 132 D.C.)
Las primeras comunidades entendieron claramente ciertas relaciones matemáticas como algo fundamental para la construcción, pero parece que basaron su práctica real de la ingeniería estrictamente en la observación y los antecedentes. Los egipcios, por ejemplo, construyeron la gran pirámide de Keops sin conocer el número π, mientras que los griegos
(entre otros) atribuyen poderes sobrenaturales a las piedras, el suelo y la materia inorgánica, una superstición comúnmente llevada a cabo hasta la Ilustración del siglo XVIII. Alrededor del año 300 A.C., Teofrasto, en su tratado "On Stones" presentó un método para determinar la dureza relativa de minerales comunes, el cual fue presentado siglos después, en el año 1812 por Friedrich Mohs para determinar la dureza in-situ de minerales desconocidos y encontrados en las excavaciones, aunque se han desarrollado métodos
mucho más precisos. La escala de dureza de Mohs fue muy importante para decidir que tipo de instrumento de corte o excavación utilizar en los proyectos mineros, y fue desarrollada considerando minerales altamente disponibles a comienzos del siglo XIX.
TEOPHRASTUS
En su tratado "On Stones", en la que Teofrasto clasifica las rocas en función de su comportamiento cuando se calientan, agrupando minerales por propiedades comunes, como el ámbar y la magnetita, que tienen el poder de atracción. También comenta sobre el efecto del calor en los minerales y sus diferentes durezas. Describe diferentes mármoles, menciona el carbón , que según él se utiliza para calentar el metal para trabajarlo, describe los diversos minerales metálicos, y sabía que la piedra pómez tenía un origen volcánico. También se ocupa de piedras preciosas, esmeraldas y amatistas, ónix, jaspe, etc., y describe una variedad de " Zafiro", que era de color azul con vetas de oro, que por lo tanto presumiblemente era lapislázuli. Muchos de los minerales más raros se encontraron en las minas, y menciona las famosas minas de cobre de Chipre y las aún más famosas minas de plata, presumiblemente de la región de Laurium cerca de Atenas, y en las que se basó la riqueza de la ciudad, además de referirse a minas de oro. Las minas de plata Laurium, que eran propiedad del estado, eran usualmente arrendadas por una suma fija y un porcentaje sobre la producción. Hacia el final del siglo V, la producción se redujo, en parte debido a la ocupación espartana de Decelia. Sin embargo, las minas se siguieron trabajando, aunque los registros de Estrabón indicaron que solo las colas fueron trabajadas otra vez, y Pausanias habla de las minas como una cosa del pasado. Los antiguos trabajos, que consistieron en pozos y galerías para excavar el mineral, y las tablas de lavado para extraer el metal, pueden verse
todavía. Teofrasto escribió una obra separada " On Minning" ("Sobre Minería"), que al igual que la mayoría de sus escritos, es un trabajo desaparecido. La antigua civilización griega utilizó zapatas aisladas y fundaciones continuas-ycombinadas para la construcción de estructuras. Según San Isidoro, por ejemplo, los griegos consideraban a Dédalo el inventor de la construcción de muros y techos, que la había aprendido de la diosa Minerva.
PARTENÓN EN ATENAS (447 A.C.)
Gracias a la geometría, los antiguos arquitectos griegos desarrollaron gran habilidad en la construcción de cimientos aislados y cimientos continuos y en mallas. Las imágenes evidencian que la antigua arquitectura griega se basó en el uso de rocas talladas para la construcción de sus templos, edificios, teatros y caminos.
COLUMNAS GRIEGAS
Otro aspectos geotécnicos importante utilizado en la construcción de templos en la antigua Grecia es el uso de elementos sismo-resistentes a nivel del Estilóbato y
Estereóbato, consistente en un gancho de hierro que enlaza los bloques contiguos de piedra tallada y le aporta resistencia al conjunto en el sentido largo de la base.
GANCHOS PARA SISMO RESISTENCIA
En Egipto existen aproximadamente 10.000 pirámides, donde la mayor fue la del faraón Keops, conocida hoy día como la Gran Pirámide de Guiza, que originalmente tenía 230.4 m de lado en una base cuadrada, y originalmente medía 146.3 m de altura. Contenía unos 2'300.000 bloques de piedra, de aproximadamente 1.1 toneladas en promedio cada uno. La exactitud con que se orientó la base con respecto a la alineación norte-sur, este-oeste fue de aproximadamente de 6 minutos de arco de error máximo, en tanto que la base distaba de ser un cuadrado perfecto por menos de 17.78 cm. Teniendo en cuenta el conocimiento limitado de la geometría y la falta de instrumentos de ese tiempo, fue una proeza notable.
CONSTRUCCIÓN DE UNA PIRÁMIDE CON UN PLANO INCLINADO
Comenzando alrededor de 2750 A.C., las cinco pirámides más importantes se construyeron en Egipto en un período de menos de un siglo (Saqqarah, Meidum, Dahshur del Sur y del Norte, y Keops).Esto plantea retos formidables en relación a las fundaciones, estabilidad de taludes y construcción de cámaras subterráneas. Entre los principales conceptos desarrollados con la construcción de los monumentos se encuentran la elevada concentración de cargas, en Keops se tenían 5'000.000 ton de roca distribuidas en 230.4 x 230.4 m (aproximadamente 1000 kPa)
COMPARACIÓN DE PENDIENTES DE TALUD EN PIRÁMIDES Y PRESA. PIRÁMIDES DE KEOPS (EGIPTO) Y PIRÁMIDE DEL S OL (MÉXICO)
Entre los principales elementos de geomecánica y geotecnia utilizados por los Egipcios, para soportar sus pesadas estructuras fundadas sobre suelos blandos, usaban cilindros de roca (pilotes) cuya superficie era alisada para reducir la resistencia a la penetración. Para la construcción de pozos de agua los egipcios desarrollaron técnicas. El uso de caissons de madera y piedra para la construcción de cimientos sobre suelos blandos ya era conocido en Egipto en el año 2000 A.C. El frente de avance se construía con un bloque redondo de caliza tallada con un orificio en el centro y las paredes se revestían con madera o con bloques de piedra tallada. Los caminos romanos superaron los 4.100 km en el año 200 D.C. Estas vías, destinadas a la infantería eran generalmente rectas (lo más directas posibles), de poca inclinación y contaban con cunetas para mejorar el drenaje y su espesor aumentaba sobre suelos blandos, lo que indica que los romanos comprendían las bases de la mecánica de suelos y rocas.
PARTES DE LA CONSTRUCCIÓN DE VÍA ROMANA
Después de la caída del Imperio Romano, el desarrollo ingenieril se trasladó a India y China. Los antiguos hindúes eran diestros en el manejo del hierro y poseían el secreto para fabricar el buen acero desde antes de los tiempos de los romanos. La Edad Media o periodo medieval, abarcó desde 500 hasta 1500 D.C., y por lo general, se denomina Oscurantismo al periodo que media entre el año 600 y el 1000 D.C. Durante este periodo no existieron las profesiones de ingeniería, de manera que esas actividades quedaron en manos de los artesanos, tales como los albañiles maestros. El registro del primer uso de roca y suelo como material de construcción se pierde en la antigüedad. En términos de verdadera ingeniería, la comprensión de la ingeniería geotécnica y geomecánica, como hoy es conocida comenzó a comienzos del siglo XVIII. Durante años, el arte de la Ingeniería de rocas y suelos se basó en experiencias anteriores sólo a través de una sucesión de experimentación sin ningún carácter científico real. Sobre la base de los experimentos, muchas estructuras fueron construidas, algunas de las cuales se han derrumbado, mientras que otras siguen en pie.
LA MECÁNICA DE ROCAS “COMO TAL”:
En 1962, la Mecánica de Rocas, bajo la insistencia de la Escuela Austriaca, con Stini y Müller al frente, se desvincula de la Sociedad Internacional de Mecánica del Suelo, con la pública oposición del fundador de la ciencia geotécnica, Karl Terzaghi. Justo en esta época se producen dos hechos desafortunados: Primero: En Diciembre de 1959, falla la cimentación de la presa bóveda de Malpasset, en Francia, provocando 450 muertos. El ingeniero proyectista A. Coyne, presidente de la International Comission on Large Dams y profesor de la École Nationale des Ponts et Chaussées de París explicaba en sus clases sólo unos meses antes: “Es raro y probablemente un caso único en ingeniería [encontrar] un tipo de estructura que no
haya colapsado nunca. Pero, a pesar de las apariencias, a pesar de su forma esbelta y líneas elegantes y fuertes tensiones, es un hecho que la presa bóveda es la más segura de las estructuras. Esto es simplemente una confirmación adicional de lo que se ha conocido durante miles de años sobre la estabilidad de los arcos. [...] nada serio le puede pasar a una presa bóveda [...] con tal de que sus estribos resistan.”
Y falló el estribo, el reconocimiento de campo posterior mostró que la presa había fallado por el deslizamiento de una cuña sobre una falla (no detectada antes), en la cimentación del estribo izquierdo, en un terreno formado por gneises foliados muy fracturados pero impermeables bajo el efecto de las subpresiones. Para terminar de arreglarlo, los ensayos in situ mostraron una elevada disparidad entre los datos reales y los considerados para el dimensionamiento de la cimentación, para la que apenas se realizaron ensayos de campo. Segundo: En octubre de 1963, un deslizamiento en la presa de Vajont (Italia) provoca la total destrucción, aguas abajo, de la población de Longarone, con un saldo aproximado de 2.000 muertos. Tras unos días de fuertes lluvias la auscultación indicaba la posibilidad de movimientos en la ladera izquierda, por lo que se decidió rebajar la cota de embalse. Problemas en las compuertas retrasaron la operación, momento en el que se produjo el movimiento sísmico que desencadenó la caída de una masa aproximada de 300 millones de m³ de tierras a un embalse que acumulaba en aquellos momentos 150 millones de m³ de agua.
Los estudios realizados desde entonces sugieren que la caída vino gobernada por parámetros residuales bajo cargas dinámicas (algo que no se tenía en cuenta en aquellas fechas) y fenómenos de tipo termodinámico (el rozamiento en la caída provocó temperaturas de hasta 120 ºC) que ni siquiera hoy se tienen en cuenta. Pasados los años el mecanismo del deslizamiento aún no ha sido explicado satisfactoriamente. Tras estudiar el desastre de Vajont, Terzaghi escribe : “[...] las curvas de frecuencia de diaclasas no pueden construirse con ningún grado de
seguridad si no se realizan cientos de mediciones, [...] si los expertos en Mecánica de Rocas no resisten la tentación de hacer pocos ensayos por razones económicas, los riesgos envueltos en la construcción de presas de fabrica cimentadas en roca aumentarán fuertemente .”
Visto lo visto. el problema de la mecánica de rocas es evidente, el suelo es un medio más o menos continuo y, hasta cierto punto, sus propiedades pueden ser “extrapolables”, pero
hacen falta muchos, muchísimos ensayos de campo para caracterizar de un modo fiable las propiedades geomecánicas de un macizo rocoso y, francamente, que el “Nuevo Método Austriaco” se defina más como una filosofía que como un método constructivo no ayuda. Siguiendo con la historia, hay que decir que la actitud de los expertos en mecánica de rocas de aquella primera época seguía siendo dogmática incluso después de los accidentes, con métodos basados en principios de la mecánica de medios continuos bajo consideraciones estáticas, opiniones personales y subjetivos coeficientes correctores. Cabe señalar además que el primer Congreso Internacional de Mecánica de Rocas, se realizó en Lisboa, en el año de 1966. Entre 1973 y 1989, Bieniawski utiliza cinco parámetros básicos (resistencia a compresión simple, RQD, estado de las juntas, frecuencia de las juntas y presencia de agua) para desarrollar
el RMR (Rock Mass Rating) como sistema de caracterización del
terreno, presentando las primeras correlaciones entre el RMR y el módulo de deformación, permitiendo así hacer cálculos basados en teorías elásticas. En 1980, Hoek y Brown enuncian un criterio de rotura a partir de ensayos de laboratorio sobre muestras de la matriz rocosa y correcciones en función del RMR obtenidas mediante estadísticas (a partir de seis tipos de calidad del macizo -desde roca intacta a roca de mala calidad y cinco tipos de composición de la roca desde metamórficas hasta carbonatadas). También estudian la variación de las propiedades del macizo con la orientación de las juntas y el número de familias, lo que permite introducir en el criterio macizos rocosos estratificados. Se trata de un criterio cuadrático, pero para un cierto rango de tensiones puede asimilarse a la formulación lineal de Mohr-Coulomb, lo que populariza su uso al permitir aplicar las fórmulas clásicas de la mecánica de suelos. Entre 1994 y 1997, Hoek introduce un nuevo parámetro, el GSI (Geological Strength Index), para poder tener en cuenta otros factores, como la foliación, los rellenos, la forma de los bloques y el contenido en finos, entre otros, lo que permite incluir en el criterio macizos rocosos de mala calidad, con un comportamiento intermedio entre suelo duro y roca blanda, no contemplados en el criterio inicial de Hoek y Brown.
Hoy en día, no hay ningún método analítico en mecánica de rocas que no incluya el RMR, el GSI o el criterio de Hoek y Brown. Conviene tenerlo en cuenta porque, dado su origen, son métodos que se hallan en constante revisión (Hoek modifica su criterio periódicamente) que no deben ser utilizados fuera del rango de valores en el que fueron obtenidos. El planteamiento que se sigue habitualmente a la hora de predimensionar un macizo rocoso parte de un reconocimiento de campo, una recopilación de datos geomecánicos y la realización de clasificaciones geomecánicas, dejando formulaciones más exactas, mediante elementos finitos (PLAXIS) o diferencias finitas (FLAC), para proyectos “grandes” o instrumentación.
Para la práctica de mecánica de rocas, debemos señalar tres caminos de conocimientos: empírico, observacional, y analítico.
